2018年云南通海5.0級地震前區域地殼水平形變特征分析*

蔣鋒云，朱良玉，季靈運，李 寧，王雙緒

(中國地震局第二監測中心，陜西 西安710054)

0 引言

以GPS為代表的空間大地測量技術在地殼形變監測與地震預測研究領域的應用已十分廣泛，能夠為科研人員提供高精度、大尺度、多維的地殼形變監測數據。許多學者和專家利用這些數據，對區域地殼形變與強震孕育之間的關系展開了研究，取得了一些認識：江在森等(2003)對GPS 水平面應變率及最大剪應變率的震例進行分析總結，認為與構造背景相一致的面應變、剪應變的高值區及其邊緣梯度帶是未來可能發生強震的危險區域；江在森等(2009)利用GPS等觀測資料研究了2008年汶川8.0級地震前的區域地殼運動與構造變形，結果表明汶川地震前龍門山以西地殼存在顯著應變積累特征；武艷強等(2013)利用龍門山斷裂帶及其附近的GPS觀測資料，分析了2013年四川蘆山7.0級地震震前形變場，發現其發震斷裂龍門山斷裂帶南段震前一直處于閉鎖狀態；占偉等(2015)利用GPS觀測資料研究了2015年尼泊爾8.0級地震的形變孕震特征，發現震前喜馬拉雅主邊界斷裂存在大范圍擠壓應變積累，震源區處于近南北向應變積累高值過渡區。以上研究結果為利用GPS水平形變資料研究地震震前區域地殼形變特征提供了參考。

2018年8月13日1時44分、8月14日3時50分，云南省玉溪市通海縣(24.19°N，102.71°E)先后發生2次5.0級地震。這2次地震發生部位處于什么樣的構造環境，震前地殼水平形變、應變場有何特點？進行此方面的研究對于認識該地震發震機理及未來相關構造區域震情判定具有重要的意義。因此，本文擬借助Zheng等(2017)1991—2015年地殼水平運動速度場結果，利用Shen等(2015)計算連續形變、應變場的方法，對通海2次地震震前所在區域的地殼水平形變、應變場進行分析。

1 研究區構造背景及數據選取

2018年通海地震的宏觀震中位于通海縣四街鎮境內，且2次地震發生在同一位置上。震中距NW走向的曲江斷裂約18 km，距NW走向的玉江斷裂約8 km，距NE走向的明星—二街斷裂約4 km。通海2次地震余震序列分布主要呈NE走向，分析認為，這2次地震與NE走向的明星—二街斷裂相關。活斷層探測表明，明星—二街斷裂NE由撫仙湖西岸明星以北延入撫仙湖內，向SW經牛摩村、孤山、螺螄鋪、水箐溝，至二街西延入杞麓湖內，長約78 km，總體走向15°左右，傾向SE，傾角較陡，達70°。沿該斷裂可見寬度大于15 m的斷層破碎帶，為全新世活動斷裂。2次通海地震震中附近區域沒有發生過更大地震的痕跡，也沒有更大地震的歷史記載(云南網，2018)。從大區域構造來看，這2次地震發生于川滇塊體東南端，處于小江斷裂帶、曲江—石屏斷裂帶的交匯部位。該區域構造變形復雜，歷史強震極其活躍，曾發生過多次6級以上強震(聞學澤等，2011)，其中距離最近的最大地震為在曲江斷裂發生的1970年通海7.8級地震，距此次地震震中僅3 km 左右(圖1)。

F1：明星—二街斷裂；F2：九村—二街斷裂；F3：青龍街—西村斷裂；F4：玉江斷裂；F5：普度河斷裂；F6：曲江斷裂；F7：甸尾—螞蟻斷裂；F8：小關—李浩寨街斷裂

近年來，由中國地震局負責的網絡工程和陸態網絡項目先后實施，通海地震震中附近及其鄰近區域在震前積累有十多年的多期流動GPS觀測資料，Zheng等(2017)利用這些資料，使用PANDA軟件，采用精密單點定位技術，獲得了反映構造變形的1991—2015年地殼長期水平運動速度場，其在數據處理過程中不僅扣除由于儀器、人為因素等對站點觀測時間序列的影響，還扣除了觀測時間段內，顯著地震同震及震后形變的影響。同時，借助最小二乘原理對站點時間序列用線性函數來估計長期速度，并將速度場統一到歐亞框架之下，為本文的研究提供了便利。

鑒于形變場空間分辨率的限制，對于通海地震發震構造而言，本文研究范圍相對較大，主要以地震震中為中心，向其外圍擴展了約100 km，主要包括川滇塊體南部滇中地塊及其附近區域(23°～26°N，101°～104°E)。研究范圍內共有63個GPS站點，平均間隔約為30 km，大部分區域站點分布相對較為均勻，相對密集和均勻分布的站點會使研究結果具有較高的可靠性。

2 連續形變場、應變場計算方法

由于實際地殼運動觀測站點分布往往是不均勻的，而且還有非連續的構造變形在其中。因此利用觀測形變場進一步計算連續形變、應變場就顯得尤為重要。Shen等(2015)提出了一種對于離散的空間大地測量觀測數據進行內插的最佳方法，并且將這種方法應用到美國南加州地區水平應變率場的計算中，獲得了很好的結果。該方法依賴于具有先驗約束的權重平滑因子來獲得對觀測數據的最佳擬合。對于任一站點，在它附近區域內插點的水平位移場通過雙線性函數插值方法來實現，在球面上需要反演的模型參數包括塊體平移、旋轉及應變率。借助最小二乘方法，采用相鄰區域加權GPS速度場來估計待求站點模型參數，并使得速度場擬合殘差最小。對于最佳權重的選擇，采用距離相關權重：

(1)

(2)

式中：Li是高斯函數；Vi是依賴于Voronoi單元的面積；ΔRi為計算點與GPS站點的距離；D為空間平滑距離參數，對不同站點采用不同的數值(Shenetal，2015)。

為了確定最佳平滑距離D，筆者引入一個參數來表示重定權系數和的閾值，并設置W(D)=Wt，隨著Wt增大，更多的GPS數據被包含進來；反之，Wt越小，所涉及的站點越少。不同于已有的研究(Shenetal，2015；Geetal，2015)，本文研究范圍較小，參考已有的研究結果，采用較小的Wt=6計算，獲得研究區平滑距離的空間分布(圖2)。從圖2可以看出，研究區大部分區域平滑距離約為30 km。按照上述參數設置，采用形變場、應變率場內插程序的更新代碼(Shenetal，2015)計算了研究區連續的形變場和應變率場。

F9：小江斷裂；F10：石屏—建水斷裂；F11：個舊斷裂；F12：師宗斷裂

3 水平形變場分析

從相對歐亞板塊速度場(圖3)來看，研究區存在顯著的整體運動，內部差異變形表現不太明顯。為了更清楚地反映區域內部相對變形特征，在對原始速度場借助Shen等(2015)程序進行了連續形變場的計算之后，對連續形變相對歐亞板塊速度場進行了整體無旋轉基準轉換(楊國華等，2005)，獲得了反映區域內部變形的連續速度場(圖4)。需要說明的是，受到GPS流動站點分布的影響，對于站點較為稀疏的研究區域東南和西南角沒有獲得連續形變場，而這2個部位相對遠離發震構造中心部位，并不影響計算結果的可靠性。

圖3 研究區GPS站點及速度分布(相對歐亞板塊)

從圖4結果來看，整個研究區域，速度場大小和量值變化最為劇烈、運動受阻最明顯部位位于小江斷裂帶和曲江—石屏斷裂帶。小江斷裂帶表現為明顯的左旋變形，且在其中南段西側幾十千米范圍內，與汶川地震之前龍門山斷裂帶西側地殼形變變化類似，同樣表現出大范圍小變形的地震孕育晚期斷層閉鎖特征，這和張勇等(2018)對小江斷裂帶強震危險性分析是一致的。而通海地震正是發生在與小江斷裂帶走向一致、處于能量積累部位的NE走向的明星—二街斷裂上。曲江—石屏斷裂帶更多表現為逆沖特征，兼具一定的右旋變形分量，從量值大小上看，在其北側也存在運動受阻、應變積累特征。

圖4 研究區內插速度場及M≥6.0歷史強震活動分布(區域無旋轉基準)

從整個研究區域M≥6.0歷史強震活動分布(圖4)來看，速度場差異顯著、運動受阻部位和強震歷史活躍區域具有很好的一致性。因此，未來及稍長一段時間，在小江斷裂南段和曲江—石屏斷裂之間(圖4中粉紅色橢圓形區域)具有發生中強、乃至更大地震的形變背景特征。區域無旋轉基準僅作為參考基準的變換，無法增大或者縮小內部變形，而僅僅使內部變形看起來更為明顯。為了進一步驗證無旋轉基準結果的可靠性，筆者對研究區跨過通海2次地震震中部位垂直小江斷裂走向剖面，進行了GPS原始速度場和連續無旋轉基準速度場剖面分析(圖5)。圖5顯示跨小江斷裂帶GPS剖面平行斷層運動速度、無旋轉基準連續速度場和實際觀測具有一致性，從側面也證明本文分析方法的可靠性和有效性。從圖中還可以看出，小江斷裂南段處于左旋應變積累部位，其遠場滑動速率約8～9 mm/a，而近場要小得多，存在明顯的位移虧損特征。

圖5 平行于小江斷裂GPS水平速度剖面

4 水平應變率場分析

采用上文方法，進一步計算研究區域連續應變率場。主應變率能清晰反映地殼應變狀態特征，從圖6a可以看出，研究區主要斷裂運動特征和地質構造背景具有較好的一致性，即小江斷裂帶整體表現為左旋特征，曲江—石屏斷裂帶整體表現為右旋兼逆沖特征，進一步印證了聞學澤等(2011)關于這2條斷裂帶構造動力學認識，即它們共同承擔了川滇塊體S向、SSE向運動，吸收了該區域地殼大部分應變能，也是歷史強震顯著活躍區域。通海5.0級地震就發生在這2條斷裂帶的交匯部位，該部位主應變率尤為顯著，1970年通海7.8級大震也發生在該部位。因此，未來及其稍長一段時間，該區域再次發生中強地震的危險性依然存在。從面應變率(圖6a)還可看出，整個研究區域除個別位置外，面應變率整體以張性應變為主，2個顯著的面應變高值區為通海—峨山—華寧—玉溪一帶和個舊—彌勒之間，面應變率達到5.0×10-8/a。通海5.0級地震正是發生在面應變高值區之一的通海附近。值得關注的是，在個舊斷裂與師宗斷裂交匯部位，面應變高值區歷史強震并不突出，考慮到近年來個舊斷裂附近有較強的地震活動(2016年連續發生幾次中小地震)，未來一段時間應該注意個舊至彌勒之間發生中強地震的危險性。

最大剪應變率(圖6b)和面應變率分布類似，有2個高值區，其位置和面應變率高值區大體一致，分別分布在石屏—建水以北、玉溪以南、峨山以東、華寧以西和個舊至彌勒之間，其量值接近10×10-8/a，通海地震也發生在最大剪應變率的高值區之一的通海附近。總體來看，本次通海地震發生于研究區應變積累顯著部位，未來稍長一段時間在該區域及其附近具有再次發生中強地震的應變背景特征。

5 結論及討論

本文利用1991—2015年GPS速度場，研究了2018年8月13，14日通海2次5.0級地震相關構造區域地殼水平形變、應變背景特征。研究結果表明，以現有的站點密度，長期流動GPS觀測水平形變、應變場，能夠較好反映中強地震發震地點。本次通海地震就發生在區域地殼水平運動受阻、應變快速積累部位，即面應變率和最大剪應變率的高值區。最大剪應變高達9.0×10-8/a，面應變達到5.0×10-8/a。從研究區域形變、應變空間分布來看，未來及稍長一段時間，在小江斷裂帶南段和曲江—石屏斷裂帶，以及小江斷裂帶南段東側個舊至彌勒之間2個應變快速積累部位，發生中強地震的可能性較大，應該加強跟蹤觀測。

由于GPS實際觀測站點較為稀疏，本文采用內插后區域地殼形變、應變場進行分析，而數學處理并不能完全代替實際觀測，因此本文得到的結論還有待進一步的實際觀測來證明和修正。另外，筆者也嘗試對通海5.0級地震震中及鄰近區域的震前地殼形變動態特征展開研究，可能由于5.0級地震孕震形變場相比汶川8.0級、蘆山7.0級、尼泊爾8.0級地震而言要小的多，研究結果并不理想。

感謝沈正康老師提供速度場、應變場內插程序最新代碼及云南省地震局提供震中附近相關斷裂位置。